EP1112969A1 - Verfahren zur Steuerung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen in einem Belebtschlammprozess bei der Abwasserreinigung - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen in einem Belebtschlammprozess bei der Abwasserreinigung Download PDF

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EP1112969A1
EP1112969A1 EP20010102506 EP01102506A EP1112969A1 EP 1112969 A1 EP1112969 A1 EP 1112969A1 EP 20010102506 EP20010102506 EP 20010102506 EP 01102506 A EP01102506 A EP 01102506A EP 1112969 A1 EP1112969 A1 EP 1112969A1
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EP
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microorganisms
cod
oxygen
nutrients
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Alfred Albert
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    • C02F2305/06—Nutrients for stimulating the growth of microorganisms
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling breathability of microorganisms in a fermentation process wastewater treatment, especially in an activated sludge process.
  • the activated sludge process is the most common Processes for aerobic wastewater treatment at home and industrial Sewage.
  • the wastewater is usually first processed through mechanical purification stages, such as rakes, oil, grease and sand separators, sieves etc. directed to separate substances with larger particle size.
  • mechanical purification stages such as rakes, oil, grease and sand separators, sieves etc. directed to separate substances with larger particle size.
  • aeration plant which consists of a ventilated, homogeneous mixed aeration tank and a sedimentation tank (Secondary clarifier) exists, treated.
  • the "activated sludge” is cleaned of Waste water separated and for the most part in the "aeration tank” returned. Excess quantities of this residue, Microorganism and water mixture are called “surplus sludge” further stages of sludge treatment (biogas plant, Drainage, drying, incineration, etc.).
  • the goal of wastewater treatment is removal if possible all ingredients, but especially carbon, Nitrogen and phosphorus compounds.
  • the sludge load is particularly important for the operation of aeration plants.
  • the sludge load is defined as the ratio of the daily BOD 5 room load to the activated sludge volume in the ventilation pool, i.e.:
  • Sludge load kg BOD 5 per day / kg dry matter of the activated sludge.
  • Full cleaning can be achieved if the sludge load is less than 0.3 kg BOD 5 / kg dry matter of the activated sludge per day. With a larger load, you only get a partial cleaning.
  • WO 93/08922 describes a method for regulation and / or to reduce undesirable viscosity and COD values in paint coagulation waste water used in technical processing of spray paints - for example in metal painting in the automotive industry.
  • the paint coagulation waste water becomes an adsorbent added and a paint sludge precipitated.
  • the microorganisms contained in the aqueous systems lead thereby increasing the viscosity with increasing population number the aqueous system through microbially produced polysaccharides, the so-called organic slime.
  • organic slime When you reach one a certain cell density takes place within a few hours high slime production and then the viscosity remains constant at a high level over a long period of time.
  • N-suppliers easily water-soluble inorganic Salts and / or selected water-soluble nitrogen compounds added, especially urea or aminocarboxylic acids, such as glutamic acid when N suppliers with delayed release of the nitrogen.
  • the present invention has for its object Activated sludge process in wastewater treatment a process specify with which also depending on the time of day strongly changing or increasing supply volume a rampant population of microorganisms in nutrients prevented and with which a constant dismantling of one suddenly occurring very high supply of nutrients is made possible.
  • the invention therefore relates to a method for control the breathability of microorganisms in a fermentation process in wastewater treatment, especially in an activated sludge process, characterized in that depending of the supply amount of nutrients for the microorganisms part of the supply amount is inaccessible to the microorganisms is made, or the degradation by the microorganisms is, by adding ad- and / or absorptive to the nutrients acting substances.
  • Finely divided SiO 2 derivatives, hydrophobic and / or hydrophilic activated carbon and metal salts are advantageously selected as substances which act ad- and / or absorptively on the nutrients.
  • Enzyme-inhibiting substances selected from organic tertiary and quadronary nitrogen compounds, with Except for choline derivatives, added.
  • Known polymers can be used for the process according to the invention use for an ad or absorption reaction.
  • polymers examples include all water-soluble commercially available Polymers, especially all homopolymers and / or copolymers of acrylic acid and its derivatives.
  • the nitrate formation is reduced by the measures according to the invention, so that denitrification is easily ensured.
  • the activity of the microorganisms can be determined by measuring the oxygen requirement as a function of the amount of nutrients (mg O 2 / g dry matter and minute).
  • the reduced autolysis also makes an essential one Energy saving in ventilation due to a lower Oxygen demand achieved with simultaneous increased production of methane in the biogas if there is "digestion" for sludge treatment is connected downstream and an associated increased energy production.
  • a specific condition for the selection pressure is met by selecting a specific ratio of the quantity of oxygen supplied to the quantity of microorganisms and / or the quantity of nutrients in the range from 50 to 2,000 kg per ton of chemical oxygen demand (COD).
  • COD chemical oxygen demand
  • the amount of sludge (dry substance) produced per ton of COD in the prior art is significantly reduced, and the activated sludge can be better drained.
  • activated sludge formed in this way with low oxygen contents shows higher conversion rates in biogas plants, and the resulting biogas has a lower CO 2 content in the methane and thus leads to advantages in combustion processes in the gas engine or in heaters.
  • Another advantageous method is for development a certain biocenosis a certain condition for the Selection pressure by choosing a certain ratio of amount of oxygen supplied to amount of developed carbon dioxide and / or amount of nutrients in the range of 50 to 2,000 kg per ton chemical oxygen demand (COD) complied with.
  • COD chemical oxygen demand
  • COD chemical oxygen demand
  • BOD 5 biological oxygen demand within 5 days
  • the wastewater treatment plant was operated according to the generally recognized rules, with the result that unsecured cleaning services, in particular the nitrate nitrogen values (NO 3 -N), could not be observed.
  • blowers supply the "activation tank” with 100% output an air volume of 2 500 cbm / h, i.e. 60,000 cbm / day.
  • the chemical dosage is directly dependent on the amount of air (Product with the trade name ENTEC 118) coupled. At 100% fan performance, 10 kg / h ENTEC 118 dosed.
  • the product contains 8.5% Al +++ in the form of aluminum hydroxide chloride and 0.7% enzyme-active additives.
  • the Al derivative is used for PO 4 -P precipitation (precipitation product AlPO 4 ), for binding nutrients and for "growth area for the microorganisms".
  • phase 1 still shows the effects of excessive Autolysis. Despite a fan performance of 100 to 90% from From July 1 to July 18, the oxygen setpoint could not be Basin 1 can still be reached in basin 4. Simultaneously to 100% fan power was dosed with 240 kg ENTEC 118 daily.
  • the factor 0.085 is used to convert the product quantity to the active substance, since the merchandise contains 8.5%.
  • the target values for the oxygen values in pool 1 and pool 4 are achieved, the amount of air to be supplied is reduced to 70% of the maximum output (from 60,000 cbm / d 42,000 cbm / d), the amount of chemicals is directly coupled Control reduced to 168 kg / d.
  • Adjustment of the active substance to 168 x 0.085: 750 0.019 (kg / kg TS in the aeration).
  • the target value for the oxygen concentration is reduced to 0.2 mg / l. This reduces the amount of air required from phase 2 to 65% in phase 3.
  • the goal of wastewater treatment is a secured carbon (C) -, Nitrogen (N) and phosphorus (P) removal from the Wastewater that is discharged into water.
  • the example has shown that the necessary operational safety is produced and the results are currently available for large wastewater treatment plants required values for COD ⁇ 40 mg / l; Total P ⁇ 1 mg / l; Total N ⁇ 10 mg / l.
  • a wastewater treatment plant in a city has approximately 100,000 equivalent inhabitants encumbered, i.e. the CBS cargo into the ventilated Aeration tank is 10 t COD / day.
  • the biomass shows one as a measure of the settling properties Sludge index, i.e. a sludge volume of 150 after 30 minutes up to 250 ml / g.
  • Sludge index i.e. a sludge volume of 150 after 30 minutes up to 250 ml / g.
  • the achievable concentration in the sediment of the Settling tanks fluctuate between 0.5 and 1.0% depending on the hydraulic Load on the system.
  • the system can be operated at maximum due to the Settling properties of the biomass contaminated with 1,000 cbm of wastewater / h become. With higher loads, the biomass is in such washed out to a great extent that the legally required Maximum values can no longer be met.
  • the amount of oxygen is determined by the oxygen concentration in the ventilated aeration tanks controlled and regulated, the number the required aerator varies between 2 x 10 to 14, i.e. between 20 and 28 aerators.
  • the specific amount of dry matter is at 3 t COD / day 733 or 800 kg / t COD at 3.5 t COD / day 629 or 685 kg / t COD.
  • the gas generation in the biogas plant in which all the sludge produced in the sewage treatment plant is treated, averaged 3,000 cbm / day with 64 vol% methane and 36 vol% CO 2 .
  • the biomass shows after 8 weeks as a measure of the settling properties a sludge index, i.e. a sludge volume after 30 Minutes from 50 to 70 ml / g.
  • a sludge index i.e. a sludge volume after 30 Minutes from 50 to 70 ml / g.
  • the achievable concentration in Sediment from the sedimentation tank fluctuates between 1.0 and 1.5%, each after hydraulic loading of the system.
  • the system can do a maximum due to the maximum wastewater volume of 3,000 cbm Waste water / h can be loaded, even in this extreme case the legally prescribed maximum values are observed.
  • the amount of oxygen is determined by the concentration of oxygen and microorganisms controlled in the aerated aeration tank and regulated, the number of required aerators fluctuates between 2 x 6 to 8, i.e. between 12 and 16 aerators.
  • the specific amount of dry substance is ... at 8 t COD / day 225 or 250 kg / t COD ... at 10 t COD / day 180 or 200 kg / t COD.
  • the gas generation in the biogas plant in which all the sludge produced in the sewage treatment plant is treated, averages 4,000 cbm / day with 68 vol% methane and 32 vol% CO 2 .
  • the control and regulation in the method according to claim 5 is carried out by varying the dosing quantity of the ENTEC 118 / S product (Consumption 150 kg / t COD) depending on the supplied Air volume, as well as the variation in the amount of microorganisms in the ventilated aeration tanks by controlling the return sludge ratio (Waste water: return sludge).
  • the percentage of oxygen that is converted into carbon dioxide is in relation to the "built-in" oxygen by air volume measurements the supplied and the discharged air as well to determine the oxygen and carbon dioxide contents (on-line measuring devices). (The proportion of oxygen in the biomass is determined after State of the art hardly considered.)
  • the selection pressure of a biocenosis is successfully developed to develop a population which converts as few carbon sources (energy carriers) as possible by means of energy (air input) to carbon dioxide by varying the enzyme-inhibiting substances. This significantly reduces the oxygen consumption per tonne of COD, the oxygen content for the development of carbon dioxide and the amount of dry matter per tonne of COD, as will be shown below.
  • control Product ENTEC PE100 (PE 100: mixture of cationic polymer and enzyme inhibitor), which contains a high proportion of enzyme inhibitors Contains substances.
  • the consumption is 200 kg ENTEC PE100 / t carbon dioxide.
  • This measure allows the oxygen consumption per ton Reduce COD to 600 kg / t COD within 48 hours
  • the proportion of oxygen for the development of carbon dioxide is reduced to 100 kg / t COD and the amount of dry substance is 700 kg / t COD.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft Verfahren zur Steuerung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen in einem Fermentationsprozeß bei der Abwasserreinigung, insbesondere in einem Belebtschlammprozeß, wobei in Abhängigkeit von der Versorgungsmenge an Nährstoffen für die Mikroorganismen ein Teil der Versorgungsmenge den Mikroorganismen unzugängig gemacht wird, bzw. dem Abbau durch die Mikroorganismen entzogen wird, durch Zugabe von ad- und/oder absorptiv auf die Nährstoffe wirkende Stoffe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen in einem Fermentationsprozeß bei der Abwasserreinigung, insbesondere in einem Belebtschlammprozeß.
Das Belebtschlammverfahren ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur aeroben Abwasserbehandlung häuslicher und industrieller Abwässer.
Bei einer nach dem Belebtschlammverfahren arbeitenden Kläranlage werden die Abwässer meist zunächst über mechanische Reinigungsstufen, wie Rechen, Öl-, Fett- und Sandabscheider, Siebe u.ä. geleitet, um Stoffe mit höherer Teilchengröße abzutrennen.
Die in den Abwässern verbliebenen, größtenteils gelösten Stoffe wrden dann in einer Belebungsanlage, die aus einem belüfteten, homogenen durchmischten Belebungsbecken und einem Sedimentationsbecken (Nachklärbecken) besteht, behandelt.
Im Sedimentationsbecken wird der "Belebtschlamm" von gereinigtem Abwasser getrennt und zum größten Teil in das "Belebungsbecken" zurückgeführt. Überschüssige Mengen dieses Reststoff-, Mikroorganismen- und Wassergemisches werden als "Überschussschlamm" weiteren Stufen der Schlammbehandlung (Biogasanlage, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung u.ä.) zugeführt.
Das Ziel der Abwasserreinigung ist die Entfernung möglichst aller Inhaltsstoffe, insbesondere jedoch von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen.
In einer Belebungsanlage werden im wesentlichen folgende mikrobiologischen Umsetzungen bewirkt:
Mineralisation Nitrifikation Denitrifikation
beteiligte
Mikroorganismen Saprophyten Nitritbildner zahlreiche
Nitratbildner Saprophyten
N-Verbindung als Stickstoff- Stickstoff- Stickstoff-
und und und
Energie-Quelle Energie-Quelle Sauerstoff-
quelle
C-Versorgung organische anorgische organische
C-Verbindungen C-Verbindungen C-Verbindun-
gen
(Energie-
quelle)
O2-Ansprüche aerob aerob anoxisch
(4, 3mgO2/
mgNH4)
Stoffwechsel-
produkte H2O; CO2; H2O;H+ H2O;N2;CO2;
NH4;PO4; NO3;CO2; PO4;
pH steigt fällt steigt
Für den Betrieb von Belebungsanlagen ist neben der Belüftungszeit und der BSB5-Raumbelastung insbesondere die Schlammbelastung wichtig.
Die Schlammbelastung ist definiert als das Verhältnis der täglichen BSB5-Raumbelastung zu der im Lüftungsbecken vorhandenen Belebtschlammenge, also:
Schlammbelastung = kg BSB5 pro Tag / kg Trockensubstanz des Belebtschlammes.
Eine Vollreinigung läßt sich erreichen, wenn die Schlammbelastung kleiner ist als täglich 0,3 kg BSB5 / kg Trockensubstanz des Belebtschlammes. Bei einer größeren Belastung erhält man nur noch eine Teilreinigung.
Insbesondere bei hohen Belastungen der Belebungsanlagen durch eine hohe Versorgungsmenge an Nährstoffen tritt eine zügellose Vermehrung schnellwachsender Organismen auf. Diese Organismen verwenden nur einen geringen Anteil Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen zum Zellsubstanzaufbau, den weitaus größeren Anteil (ca. 80%) wandeln sie zu Kohlendioxid (Carbonat-, Bicarbonationen), Ammonium- und Phosphationen um.
Andererseits beginnt bei einer täglichen Belastung < 0,3 kg BSB5 / kg Trockensubstanz des Belebtschlammes eine "Mineralisierung", die im Sinne einer Autolyse (Selbstauflösung) der Mikroorganismen aus der Zellsubstanz des Belebtschlammes ebenfalls die unerwünschten Stoffwechselprodukte NH4, PO4 anreichern und gleichzeitig die dringend zur "Denitrifikation" benötigten energiereichen Kohlenstoffverbindungen zu CO2 mineralisieren.
Es ergeben sich für das Belebtschlammverfahren folgende Nachteile:
  • 1. Energiereiche C-N-P-Verbindungen werden mit Energie (Sauerstoffeintrag) oxidiert und spalten Ammoniak, Kohlendioxid und Phosphate ab, die mit hohem Aufwand eliminiert werden müssen.
  • 2. Der Gehalt an "Biomasse" (aktiven Mikroorganismen) im Belebtschlamm wird reduziert, die Schlammbelastung steigt und die Absetzeigenschaften verschlechtern sich.
  • 3. Die aufwendige Oxidation energiereicher Substanzen führt zu verminderter CH4-Produktion bei der anaeroben Biogaserzeugung im Faulturm.
    • In der PCT-Anmeldung mit der internationalen Veröffentlichungs-Nr. WO 93/08922 ist ein Verfahren beschrieben zur Regulierung und/oder zum Abbau von unerwünschten Viskositäts- und CSB-Werten in Lackkoagulationsabwässern, die bei der technischen Verarbeitung von Spritzlacken - beispielsweise bei der Metallackierung in der Automobilindustrie - anfallen.
    Dabei wird dem Lackkoagulationsabwasser ein Adsorptionsmittel zugegeben und ein Lackschlamm ausgefällt.
    Die in den wässrigen Systemen enthaltenen Mikroorganismen führen dabei mit wachsender Populationszahl zu einer Erhöhung der Viskosität des wäßrigen Systems durch mikrobiell produzierte Polysaccharide, den sogenannten Bioschleim. Bei Erreichen einer bestimmten Zelldichte erfolgt innerhalb weniger Stunden eine hohe Schleimproduktion und im Anschluß daran bleibt die Viskosität auf hohem Niveau über längere Zeit konstant.
    Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren wird nun der Gehalt an mikrobiell verwertbarem Stickstoff (N) und Phosphor (P) im Lackkoagulationswasser - auch als "limitierende Nahrungsquellen" bezeichnet - in einem solchen Ausmaß erhöht und aufeinander abgestimmt, daß die Bildung von viskositätssteigernden Schleimstoffen zurückgedrängt und/oder bereits gebildete Schleimstoffanteile bakteriell abgebaut bzw. verzehrt werden.
    Hier wird also im Gegensatz zum bisher bekannten Stand der Technik, bei dem das Mikroorganismenwachstum durch Einsatz von Biociden bekämpft wurde, durch gezielten Einsatz zweier limitierender Nahrungsquellen umgekehrt das Mikroorganismenwachstum so gefördert, dass die oben genannten Ergebnisse erhalten werden.
    Als N-Lieferanten werden dabei leicht wasserlösliche anorganische Salze und/oder ausgewählte wasserlösliche Stickstoffverbindungen zugesetzt, insbesondere Harnstoff oder auch Aminocarbonsäuren, wie beispielsweise Glutaminsäure, wenn N-Lieferanten mit verzögerter Freisetzung des Stickstoffs gewünscht werden.
    Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Belebtschlammverfahren bei der Abwasserreinigung ein Verfahren anzugeben, mit dem auch bei einer in Abhängigkeit von der Tageszeit stark wechselnden bzw. stark ansteigenden Versorgungsmenge an Nährstoffen eine zügellose Population der Mikroorganismen unterbunden und mit dem ein gleichbleibender Abbau einer plötzlich auftretenden sehr hohen Versorgungsmenge an Nährstoffen ermöglicht wird.
    Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegeben Verfahren gelöst.
    Die Unteransprüche 2 bis 6 beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens nach Anspruch 1.
    Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Steuerung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen in einem Fermentationsprozeß bei der Abwasserreinigung, insbesondere in einem Belebtschlammprozeß, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Versorgungsmenge an Nährstoffen für die Mikroorganismen ein Teil der Versorgungsmenge den Mikroorganismen unzugängig gemacht wird, bzw. dem Abbau durch die Mikroorganismen entzogen wird, durch Zugabe von ad- und/oder absorptiv auf die Nährstoffe wirkende Stoffe.
    Als ad- und/oder absorptiv auf die Nährstoffe wirkende Stoffe werden vorteilhaft feinteilige SiO2-Derivate, hydrophobe- und/oder hydrophile Aktivkohle und Metallsalze ausgewählt.
    Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden zusätzlich Enzym-inhibierend wirkende Stoffe, ausgewählt aus organischen tertiären und quadronären Stickstoffverbindungen, mit Ausnahme von Cholinderivaten, zugegeben.
    Für das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich bekannte Polymere für eine Ad- bzw. Absorptionsreaktion einsetzen.
    Beispiele für solche Polymere sind alle wasserlöslichen handelsüblichen Polymere, insbesondere alle Homo- und/oder Copolymerisate der Acrylsäure und ihrer Derivate.
    Obwohl nicht bekannt ist, auf welche Weise der Zusatz von ad- und/oder absorptiv auf die Nährstoffe wirkenden Stoffe eine Steuerung des Abbaus einer plötzlich stark ansteigenden Versorgungsmenge an Nährstoffen auf einen längeren Zeitraum verteilt bewirkt, wird angenommen, dass die Mikroorganismen zunächst nach der Maxime des kleinsten Widerstands die von den ad- und/oder absorptiv auf die Nährstoffe wirkenden Stoffe nicht gebundenen Nährstoffanteile abbauen, und der für die Mikroorganismen zunächst "blockierte" restliche Nährstoffgehalt erst nach Aufbrechen der entsprechenden Bindungen über einen längeren Zeitraum hinweg wieder freigegeben und so abgebaut wird. (Siehe Phase 1 des Beispiels).
    Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Nitratbildung reduziert, so dass die Denitrifizierung ohne weiteres sichergestellt ist. Die Aktivität der Mikroorganismen kann durch Messen des Sauerstoffbedarfs in Abhängigkeit von der Nährstoffmenge ermittelt werden (mg O2/g Trockensubstanz und Minute).
    Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen in einem Fermentationsprozeß, insbesondere einem Belebtschlammprozeß, bei dem eine Autolyse, d.h. Ammonifikation und Desaminierung, weitgehend zum Stillstand gebracht wird, ist es möglich, bei einer nach dem Belebtschlammverfahren betriebenen Kläranlage die Belebungsbecken mit einem 10-fach kleineren Volumen auszustatten als im Stand der Technik, was zu einer erheblichen Verminderung der Investitionen führen wird.
    Ebenso wird durch die verminderte Autolyse eine wesentliche Energieeinsparung bei der Belüftung infolge eines niedrigeren Sauerstoffbedarfes erzielt bei gleichzeitig erhöhter Produktion von Methan im Biogas, falls eine "Faulung" zur Schlammbehandlung nachgeschaltet ist und einer damit verbundenen erhöhten Energiegewinnung.
    So wird bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren zur Entwicklung einer bestimmten Biozönose eine bestimmte Bedingung für den Selektionsdruck durch Wahl eines bestimmten Verhältnisses von zugeführter Sauerstoffmenge zu Mikroorganismenmenge und/oder Nährstoffmenge im Bereich von 50 bis 2 000 kg pro Tonne chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) eingehalten. Durch Wahl dieses bestimmten Verhältnisses werden die im Stand der Technik entstehenden Schlammmengen (Trockenstoff) pro Tonne CSB deutlich verringert, und es läßt sich eine bessere Entwässerbarkeit der Belebtschlämme erzielen. Weiterhin zeigen auf solche Weise gebildete Belebtschlämme mit niedrigen Sauerstoffgehalten höhere Umwandlungsraten in Biogasanlagen, und das entstehende Biogas besitzt einen geringeren CO2-Anteil im Methan und führt somit zu Vorteilen bei Verbrennungsvorgängen im Gasmotor oder in Heizungen.
    Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird zur Entwicklung einer bestimmten Biozönose eine bestimmte Bedingung für den Selektionsdruck durch Wahl eines bestimmten Verhältnisses von zugeführter Sauerstoffmenge zu entwickelter Kohlendioxidmenge und/oder Nährstoffmenge im Bereich von 50 bis 2 000 kg pro Tonne chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) eingehalten. Dadurch läßt sich der Sauerstoffverbrauch pro Tonne CSB sowie der Sauerstoffanteil für die Kohlendioxidentwicklung und die entstehende Trockenstoffmenge pro Tonne CSB gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringern.
    Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:
    Figur 1
    die Abhängigkeit der Lüfterleistung von der Zeit beim Betrieb einer Kläranlage für die Phasen 1, 2 und 3;
    Figur 2
    die Abhängigkeit der chemisch oxidierbaren Stoffe CSB und BSB5 von der Zeit während der Phasen 1, 2 und 3 beim Betrieb einer Kläranlage;
    Figur 3
    die Abhängigkeit des Phosphorgehalts (mg/l) von der Zeit während der Phasen 1, 2 und 3 beim Betrieb einer Kläranlage;
    Figur 4
    die Abhängigkeit der Zersetzungsprodukte (mg/1) während der Phasen 1, 2 und 3 beim Betrieb einer Kläranlage.
    Die Vorteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar sind, ergeben sich aus folgendem Beispiel 1:
    Beispiel 1:
    In einer Kläranlage müssen täglich bei Trockenwetterzufluß etwa 2500 cbm Abwasser gereinigt werden. Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) wird mit durchschnittlich 600 mg/l gemessen, der biologische Sauerstoffbedarf innerhalb 5 Tagen (BSB5) wird mit 300 mg/l durchschnittlich ermittelt. Diese Werte unterliegen in dem beobachteten Zeitraum über die Wochentage gleichen Schwankungen.
    Daraus errechnet sich eine Belastung von 2 500 x 0,3 = 750 (kg BSB5 / Tag).
    Die Belüftungsbecken bestehen aus einer Kaskade von 4 Becken mit je 620 cbm genutztem Volumen, hieraus errechnet sich eine
    Raumbelastung von
    750 : 2 480 = 0,302 (kg BSB5/cbm·d)
    und eine
    Schlammbelastung bei 4gTS/l von
    750 : 9 920 = 0,076 (kg BSB5/kgTS·d)
    Die Kläranlage wurde nach den allgemein anerkannten Regeln betrieben, mit der Folge ungesicherter Reinigungsleistungen, insbesondere die Nitrat-Stickstoffwerte (NO3-N) waren nicht gesichert einzuhalten.
    Insbesondere auch nicht durch Anwendung der Regeln der ATV-Richtlinie A131, die speziell für die Stickstoffentfernung erarbeitet wurden. (Siehe auch: Taschenbuch der Stadtentwässerung von Karl und Klaus R. Imhoff, 28. Auflage, Seite 228ff, R. Oldenbourg Verlag München Wien 1993.)
    Zur Sicherstellung der Werte wurden Sollwerte für die Sauerstoffkonzentrationen im Becken 1 der Kaskade von 0,4 mg/l und im Becken 4 der Kaskade von 1,5 mg/l vorgegeben. Die Sollwerte wurden im "Normalbetrieb" nicht erreicht.
    4 Gebläse versorgen die "Belebungsbecken" bei 100% Leistung mit einer Luftmenge von 2 500 cbm/h, d.h. 60.000 cbm/Tag.
    Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens:
    Direkt an die Luftmenge wird in linearer Abhängigkeit die Chemikaliendosierung (Produkt mit der Handelsbezeichnung ENTEC 118) gekoppelt. Bei 100% Lüfterleistung werden 10 kg/h ENTEC 118 dosiert.
    Das Produkt enthält 8,5 % Al+++ in Form von Aluminiumhydroxid-chlorid und 0,7 % enzymwirksamer Zusätze. Das Al-Derivat dient zur PO4-P-Fällung (Fällprodukt AlPO4), zur Bindung von Nährstoffen und zur "Bewuchsfläche für die Mikroorganismen".
    Phase 1: Betrieb:
    Der Beginn der Phase 1 zeigt noch die Auswirkungen der übermäßigen Autolyse. Trotz einer Lüfterleistung von 100 bis 90 % vom 1. Juli bis 18. Juli konnte der Sauerstoffsollwert weder im Becken 1 noch im Becken 4 erreicht werden. Gleichzeitig zur 100%-igen Lüfterleistung wurden täglich 240 kg ENTEC 118 dosiert.
    Im System befindet sich eine Trockenmasse von (4 x 620 x 4) 9 920 kg; aus dem System werden täglich durch "Überschußschlamm"-entnahme 750 kg entfernt. (Daraus errechnet sich ein "Schlammalter" von 9 920 : 750 = 13,22 Tagen)
    Als Richtwert dient dieses "Schlammalter" für die Zeit bis zur Einstellung der "Wirksubstanzkonzentration" im Trockenstoff von 240 x 0,085 : 750 = 0,027 (kg/kg TS).
    Der Faktor 0,085 dient zur Umrechnung von Produktmenge auf Wirksubstanz, da in der Handelsware 8,5 % enthalten sind.
    In Figur 1 ist die Auswirkung dargestellt, die Sauerstoffkonzentration konnte innerhalb von 20 Tagen auf die Sollwerte erhöht werden. Die nötige Lüfterleistung pendelte sich bei 70 % ein.
    Resultate:
    Figur 2:
    Die chemisch oxidierbaren Stoffe nehmen ab, die Schwankungsbreite der biologisch oxidierbaren Stoffe verringert sich von vorher 4-11 mg/l auf 4-8 mg/l. Die Erklärung kann in der verminderten Zersetzung gefunden werden, d.h. ein höherer CSB-Anteil aus aufgespaltenen Mikroorganismenzellen (Autolyse) ist biologisch nicht mehr oxidierbar.
    Figur 3:
    Der Phosphorgehalt schwankt zwischen 0,4 und 1,6 mg/l; aufgrund der hohen Chemikaliendosierung nicht erklärbar; wird aber erklärbar durch die Vorgänge bei der "Mineralisation" (= PO4-P-Produktion aus vorher biologisch gebundenem P).
    Figur 4:
    Die Zersetzungsprodukte führen zu NH3-N und NO3-N; NH3-N wird zu NO3-N oxidiert (Energieaufwand für Belüftung) .
    Phase 2: Betrieb:
    Die Sollwerte für die Sauerstoffwerte in Becken 1 und Becken 4 werden erreicht, die nötige zuzuführende Luftmenge reduziert sich auf 70 % der Maximalleistung (von 60.000 cbm/d auf 42.000 cbm/d), die Chemikalienmenge wird durch die direkt gekoppelte Steuerung auf 168 kg/d reduziert.
    Einstellung der Wirksubstanz auf 168 x 0,085 : 750 = 0,019 (kg/kg TS in der Belebung).
    Resultate:
    Figur 2:
    CSB und BSB5-Verhältnis nähert sich dem Wert des Zulaufes (2:1), eine Erklärung ist darin zu sehen, daß die "Zellgifte" aus der Autolyse fehlen.
    Durch die bessere Sauerstoffversorgung in Becken 1 sind geringe Zersetzungsvorgänge auch weiterhin nicht auszuschließen.
    Figur 3:
    Die verringerte Autolyse führt zu verringerter PO4-Produktion, deshalb ist trotz verringerter Chemikalienzugabe die P-Gesamtkonzentration auf 0,7-1,1 mg/l gefallen.
    Figur 4:
    NH4-N ist vollständig zu NO3-N oxidiert, aus der Autolyse entstehender NH3-N wird ebenfalls sofort zu NO3-N oxidiert, weshalb die NH4-N-Konzentration ständig < 0,5 mg/l bleibt. Die Autolyse führt jedoch noch zu einem NO3-N-Wert von 10-15 mg/l.
    Phase 3: Betrieb:
    In Becken 1 wird der Sollwert für die Sauerstoffkonzentration auf 0,2 mg/l gesenkt.
    Dadurch reduziert sich die nötige Luftmenge von 70 % aus Phase 2 auf 65 % in Phase 3.
    Die Menge von 39.000 cbm/d Luft bewirkt eine Chemikaliendosierung von 156 kg/d.
    Dadurch stellt sich eine Wirkstoffkonzentration von 156 x 0,085 : 750 = 0,0177 (kg/kg TS) ein.
    Resultate:
    Figur 2:
    Durch die erneute Unterbindung von Zersetzungsvorgängen verringert sich bei gleichbleibender Belastung der Kläranlage der CSB- und BSB5-Wert.
    Figur 3:
    Durch die Reduzierung der Chemikalienmenge erhöht sich zunächst der Gesamt-P-Wert von ca. 1,0 mg/l auf ca. 1,4 mg/1. Nach dem Adaptionszeitraum (Schlammalter) von 13 Tagen werden jedoch die Auswirkungen der geringeren Zersetzungsrate wirksam, d.h. die Gesamt-P-Werte fallen unter 0,8 mg/l auf Werte zwischen 0,6-0,8 mg/l.
    Figur 4:
    Die Stickstoffentfernung ist gesichert möglich. Durch die verminderte Autolyse fällt der "Gesamtstickstoff" von ca. 12 mg/l auf 5 mg/l; bei gesicherter Einhaltung der geforderten NH4-N-Konzentration.
    Dieses Beispiel und viele Erfahrungen bei Fermentationen zeigen, daß die unkontrollierte Enzymproduktion bei schwankenden Substratkonzentrationen zu Zersetzungserscheinungen führt, die durch erhöhten Sauerstoffbedarf zu Endprodukten (NH3- > NO3; CO2; PO4) führt, die ja eigentlich eliminiert werden sollen.
    Durch gezielte Reduktion der Autolyse ist eine Verminderung des Energieaufwandes und des Chemikalieneinsatzes in bedeutendem Ausmaß möglich.
    Die Zielsetzung der Abwasserreinigung ist eine gesicherte Kohlenstoff(C)-, Stickstoff(N)- und Phosphor(P)-Entfernung aus dem Abwasser, das in Gewässer eingeleitet wird.
    Das Beispiel hat gezeigt, daß die nötige Betriebssicherheit hergestellt wird und die Resultate den zur Zeit für Großkläranlagen geforderten Werten für CSB < 40 mg/l; Gesamt-P < 1 mg/l; Gesamt-N < 10 mg/l gerecht werden.
    Insbesondere für Anlagen, die in kritische Binnengewässer (Bodensee u.a.) einleiten, werden weitergehende Forderungen (z.B. < 0,3 mg/l Gesamt-P) dazu führen, daß solche Regelstrategien unumgänglich sind.
    Beispiel 2:
    Eine Kläranlage einer Stadt wird mit ca. 100 000 Einwohnergleichwerten belastet, d.h. die CBS-Fracht in die belüfteten Belebungsbecken beträgt 10 t CSB/Tag.
    In diesen Belüftungsbecken mit einem Volumen von 2 x 2 225 = 4 450 cbm sind
    2 x 18 x 15 = 540 kW für Sauerstoffeintrag (Belüfter der Fa. Fuchs/Mayen) installiert.
    Nach dem Stand der Technik werden in Fällungsbecken Calciumhydroxid und Eisen(II)-sulfat dosiert. Damit ist es möglich, den belüfteten Belebungsbecken ca. 3 - 3,5 t CSB/Tag zuzuführen. Bei Belastungen von mehr als 200 kg CSB/h sind die 2 x 18 = 36 Belüfter überlastet (maximal 5 t CSB/Tag).
    Die Biomasse zeigt als Maß für die Absetzeigenschaften einen Schlammindex, d.h. ein Schlammvolumen nach 30 Minuten von 150 bis 250 ml/g auf. Die erzielbare Konzentration im Sediment des Absetzbeckens schwankt zwischen 0,5 und 1,0 % je nach hydraulischer Belastung der Anlage. Maximal kann die Anlage aufgrund der Absetzeigenschaften der Biomasse mit 1 000 cbm Abwasser/h belastet werden. Bei höherer Belastung wird die Biomasse in solch hohem Ausmaß ausgeschwemmt, daß die gesetzlich vorgeschriebenen Höchstwerte nicht mehr eingehalten werden können.
    Die Sauerstoffmenge wird über die Sauerstoffkonzentration in den belüfteten Belebungsbecken gesteuert und geregelt, die Anzahl der benötigten Belüfter schwankt zwischen 2 x 10 bis 14, d.h. zwischen 20 und 28 Belüftern. Die spezifische Sauerstoffmenge wird in Tests mit 0,9 kg Sauerstoff/kWh ermittelt, daraus errechnet sich ein Sauerstoffeintrag bei 20 Belüftern und 7 200 kWh von 7 200 x 0,9 = 6 480 kg/d bzw. bei 28 Belüftern und 10 080 kWh von 10 080 x 0,9 = 9 072 kg/d.
    Die spezifischen Sauerstoffmengen errechnen sich bei
    • 3 t CSB/Tag zu 2 160 und 3024 kg Sauerstoff/t CSB, der zugehörige spezifische Energieverbrauch für den Sauerstoffeintrag liegt bei 2 400 kWh/t CSB bzw. 3 360 kWh/t CSB;
    • 3,5 t CSB/Tag zu 1 851 und 2 592 kg Sauerstoff/t CSB, der zugehörige spezifische Energieverbrauch für den Sauerstoffeintrag liegt bei 2 057 kWh/t CSB bzw. 2 880 kWH/t CSB.
    Aus dem System werden 2,2 bis 2,4 t TS/Tag entfernt.
    Die spezifische Trockenstoffmenge ist
    bei 3 t CSB/Tag 733 bzw. 800 kg/t CSB
    bei 3,5 t CSB/Tag 629 bzw. 685 kg/t CSB.
    Der Gasanfall in der Biogasanlage, in der der gesamte in der Kläranlage anfallende Schlamm behandelt wird, betrug durchschnittlich 3 000 cbm/Tag mit 64 Vol% Methan und 36 Vol% CO2.
    Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 5 werden in den Fällungsbecken kein Calciumhydroxid und Eisen(II)-sulfat dosiert. Damit werden den belüfteten Belebungsbecken
    ca. 8 bis 10 t CSB/Tag zugeführt.
    Die Biomasse zeigt nach 8 Wochen als Maß für die Absetzeigenschaften einen Schlammindex, d.h. ein Schlammvolumen nach 30 Minuten von 50 bis 70 ml/g auf. Die erzielbare Konzentration im Sediment des Absetzbeckens schwankt zwischen 1,0 und 1,5 %, je nach hydraulischer Belastung der Anlage. Maximal kann die Anlage aufgrund der anfallenden maximalen Abwassermenge mit 3 000 cbm Abwasser/h belastet werden, selbst in diesem Extremfall können die gesetzlich vorgeschriebenen Höchstwerte eingehalten werden.
    Die Sauerstoffmenge wird über die Sauerstoff- und Mikroorganismenkonzentration in den belüfteten Belebungsbecken gesteuert und geregelt, die Anzahl der benötigten Belüfter schwankt zwischen 2 x 6 bis 8, d.h. zwischen 12 und 16 Belüftern. Die spezifische Sauerstoffmenge wird in Tests mit 0,9 kg Sauerstoff/kWh ermittelt, daraus errechnet sich ein Sauerstoffeintrag bei 12 Belüftern und 4 320 kWh von 4 320 x 0,9 = 3 888 kg/d bzw. bei 16 Belüftern und 5 760 kWh von 5 184 x 0,9 = 4 665 kg/d.
    Die spezifischen Sauerstoffmengen errechnen sich bei
    • 8 t CSB/Tag zu 486 und 583 kg Sauerstoff/t CSB, der zugehörige spezifische Energieverbrauch für den Sauerstoffeintrag liegt bei 540 kWh/t CSB bzw. 648 kWh/t CSB;
    • 10 t CSB/Tag zu 389 und 467 kg Sauerstoff/t CSB, der zugehörige spezifische Energieverbrauch für den Sauerstoffeintrag liegt bei 432 kWh/t CSB bzw. 467 kWh/t CSB.
    Aus dem System werden 1,8 bis 2,0 t TS/Tag entfernt.
    Die spezifische Trockenstoffmenge beträgt
    ... bei 8 t CSB/Tag 225 bzw. 250 kg/t CSB
    ... bei 10 t CSB/Tag 180 bzw. 200 kg/t CSB.
    Der Gasanfall in der Biogasanlage, in der der gesamte in der Kläranlage anfallende Schlamm behandelt wird, beträgt durchschnittlich 4 000 cbm/Tag mit 68 Vol% Methan und 32 Vol% CO2.
    Die Steuerung und Regelung beim Verfahren gemäß Anspruch 5 erfolgt durch Variation der Dosiermenge des Produktes ENTEC 118/S (Verbrauch 150 kg/t CSB) in Abhängigkeit von der zugeführten Luftmenge, sowie der Variation der Mikroorganismenmenge in den belüfteten Belebungsbecken durch Steuerung des Rücklaufschlammverhältnisses (Abwasser: Rücklaufschlamm).
    Überraschenderweise ist es für die Eigenschaften einer Mikroorganismenzusammensetzung von überragender Bedeutung, welche Sauerstoffmenge auf biologischem Wege in Form von chemischen Verbindungen in der Mikroorganismenmasse aufgenommen wird. Diese Sauerstoffmenge wird nach dem Stand der Technik ungeregelt und zufallsbedingt nach der erfindungsgemäßen Lehre geregelt in engen Grenzen eingestellt.
    Beispiel 3:
    Der Anteil des Sauerstoffs, der in Kohlendioxid umgewandelt wird, ist im Verhältnis zum "eingebauten" Sauerstoff durch Luftmengenmessungen der zugeführten und der abgeführten Luft sowie der Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalte zu ermitteln (On-line-Meßgeräte). (Der Sauerstoffanteil in der Biomasse wird nach dem Stand der Technik kaum beachtet.)
    Bei einem Verfahren gemäß Anspruch 6 gelingt die Einstellung des Selektionsdruckes einer Biozönose zur Entwicklung einer Population, die möglichst wenig Kohlenstoffquellen (Energieträger) mittels Energie (Lufteintrag) zu Kohlendioxid umwandelt, durch Variation der enzyminhibierenden Stoffe. Hierdurch wird der Sauerstoffverbrauch pro Tonne CSB, der Sauerstoffanteil für die Kohlendioxidentwicklung und die Trockenstoffmenge pro Tonne CSB deutlich verringert, wie im folgenden gezeigt wird.
    Bei einem Verfahren im Stand der Technik wird für die Kläranlage einer Stadt, welche mit leicht abbaubaren Molkereiabwässern belastet ist, ein Verbrauch von 3 000 kg Sauerstoff/t CSB durch die Mikroorganismen und eine aus dem System entfernte spezifische Trockenstoffmenge von 1 200 kg/t CSB ermittelt. Der Sauerstoffanteil, der in Verbindung mit Kohlenstoff als Kohlendioxid energieaufwendig "ausgeblasen" wird, liegt bei ca. 1 000 kg, und die daraus ermittelte Kohlenstoffmenge beträgt 375 kg/t CSB.
    Bei einem Verfahren gemäß Anspruch 6 wird zur Steuerung das Produkt ENTEC PE100 (PE 100: Gemisch aus kationischem Polymer und Enzyminhibitor) zugegeben, welches einen hohen Anteil enzyminhibierender Substanzen enthält. Der Verbrauch beträgt 200 kg ENTEC PE100/t Kohlendioxid.
    Durch diese Maßnahme läßt sich der Sauerstoffverbrauch pro Tonne CSB innerhalb von 48 Stunden auf 600 kg/t CSB verringern, der Sauerstoffanteil für die Kohlendioxidentwicklung vermindert sich auf 100 kg/t CSB und die Trockenstoffmenge beträgt 700 kg/t CSB.

    Claims (6)

    1. Verfahren zur Steuerung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen in einem Fermentationsprozeß bei der Abwasserreinigung, insbesondere in einem Belebtschlammprozeß, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Versorgungsmenge an Nährstoffen für die Mikroorganismen ein Teil der Versorgungsmenge den Mikroorganismen unzugängig gemacht wird, bzw. dem Abbau durch die Mikroorganismen entzogen wird, durch Zugabe von ad- und/oder absorptiv auf die Nährstoffe wirkende Stoffe.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ad-und/oder absorptiv auf die Nährstoffe wirkende Stoffe ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus feinteiligen SiO2-Derivaten, hydrophober und/oder hydrophiler Aktivkohle und Metallsalzen.
    3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Enzym-inhibierend wirkende Stoffe, ausgewählt aus organischen tertiären und quadronären Stickstoffverbindungen, mit Ausnahme von Cholinderivaten, zugegeben werden.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Polymere für die Ad- oder Absorption zugesetzt werden.
    5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entwicklung einer bestimmten Biozönose eine bestimmte Bedingung für den Selektionsdruck durch Wahl eines bestimmten Verhältisses von zugeführter Sauerstoffmenge zu Mikroorganismenmenge und Nährstoffmenge im Bereich von 50 bis 2.000 kg pro Tonne chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) eingehalten wird.
    6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entwicklung einer bestimmten Biozönose eine bestimmte Bedingung für den Selektionsdruck durch Wahl eines bestimmten Verhältnisses von zugeführter Sauerstoffmenge zu entwickelter Kohlendioxidmenge und Nährstoffmenge im Bereich von 50 bis 2.000 kg pro Tonne chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) eingehalten wird.
    EP20010102506 1993-11-09 1994-11-08 Verfahren zur Steuerung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen in einem Belebtschlammprozess bei der Abwasserreinigung Withdrawn EP1112969A1 (de)

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